CPU Merkezi İşlem Birimi

CPU (Merkezi İşlem Birimi) – diğer adıyla işlemci – bilgisayar programlarını çalıştırabilen elektronik bir devredir. CPU’ların hem minyatürleştirilmesi hem de standartlaştırılması, bunların varlığını özel bilgisayar makinelerinin sınırlı uygulamalarının çok ötesine taşımıştır. Modern mikroişlemciler, otomobillerden cep telefonlarına kadar her şeyde karşımıza çıkmaktadır.

Saat hızı, performans söz konusu olduğunda CPU’nun temel özelliklerinden biridir. Saat hızı, herhangi bir senkron devredeki saatin frekansı için saniyede döngü cinsinden temel hızdır (hertz, kilohertz, megahertz veya gigahertz olarak ölçülür). Tek bir saat döngüsü (modern gömülü olmayan mikroişlemcilerde tipik olarak bir nanosaniyeden daha kısadır), mantıksal sıfır ve mantıksal bir durum arasında geçiş yapar.

Belirli bir işlemcide, kristali iki kat daha yüksek frekansta titreşen başka bir kristalle değiştirmek, genellikle işlemcinin performansının iki katına çıkmasına neden olur. Ayrıca, işlemcinin yaklaşık iki kat daha fazla atık ısı üretmesine de yol açar.

Mühendisler, mevcut mimarilerin sınırlarını zorlamak için yoğun çaba sarf ediyor ve sürekli olarak biraz daha hızlı çalışan veya saat başına biraz daha az enerji tüketen işlemciler tasarlamanın yeni yollarını arıyorlar. Bu da daha yüksek saat hızlarında çalışabilen ve daha az ısınan yeni işlemciler ortaya çıkarıyor.

Bilim insanları ayrıca, işlemcilerin eski işlemcilerle aynı veya daha düşük saat hızında çalışmasına olanak tanıyan, ancak saat döngüsü başına daha fazla komutu tamamlayan yeni tasarımlar aramaya devam ediyor.

Bir işlemcinin saat hızı, yalnızca aynı işlemci ailesi ve neslindeki bilgisayar çipleri arasında karşılaştırma yapmak için kullanışlıdır.

Saat hızları oldukça yanıltıcı olabilir çünkü farklı bilgisayar çiplerinin bir döngüde yapabileceği iş miktarı değişir. Farklı bilgisayarları veya farklı işlemci ailelerini karşılaştırırken saat hızları kullanılmamalıdır. Bunun yerine, bir tür yazılım tabanlı kıyaslama testi kullanılmalıdır.

Akıllı telefonlar, programlamalarına bağlı olarak birçok farklı görevi yerine getirebilen daha gelişmiş gömülü yonga setleriyle donatılmıştır.

Çipsetin merkezinde yer alan CPU’nun performansı, günlük kullanıcı deneyimi ve akıllı telefonun genel işlem performansı için hayati önem taşır. İnsanlar, rakip ürünlerin performansını karşılaştırmak için genellikle ana CPU’nun saat hızını kullanırlar. Ancak daha önce de belirttiğimiz gibi, bir işlemcinin saat hızı yalnızca aynı işlemci ailesi ve neslindeki bilgisayar çipleri arasında performans karşılaştırması sağlamak için kullanışlıdır. Diğer tüm amaçlar için, karşılaştırmalı performansı belirlemek için yazılım kıyaslama araçlarını kullanmak en iyisidir.

Merkezî işlem birimi (Türkçe kısaltması MİB, İngilizce: central processing unit ya da kısaca CPU), dijital bilgisayarların veri işleyen ve yazılım komutlarını gerçekleştiren bölümüdür. Çalıştırılmakta olan yazılımın içinde bulunan komutları işler. Mikroişlemciler ise tek bir yonga içine yerleştirilmiş bir merkezî işlem birimidir. 1970’lerin ortasından itibaren gelişen mikroişlemciler ve bunların kullanımı, günümüzde MİB teriminin genel olarak mikroişlemciler yerine de kullanılması sonucunu doğurmuştur.

Merkezî işlem birimi aritmetik ve mantıksal işlem yapma yeteneğine sahiptir. Giriş ve çıkış birimleri arasında verilen yazılım ile uygun çalışmayı sağlar. MİB, makine dili denilen düşük seviyeli kodlama sistemi ile çalışır; bu kodlama sistemi bilgisayarın algılayabileceği işlem kodlarından oluşur. Bir mikroişlemcinin algılayabileceği kodların tamamına o işlemcinin komut kümesi denir.

Merkezî işlem birimi aritmetik ve mantıksal işlemleri Aritmetik Mantık Birimi (AMB) aracılığıyla yapar. Bunun dışında virgüllü sayılarla daha rahat hesap yapabilmesi için bir Kayan Nokta işlem birimi (FPU) vardır. Mikroişlemcinin içerisinde bulunan küçük veri saklama alanlarına yazmaç denir.

İlk Merkezî İşlem Birim’leri (MİB) daha büyük, bazen türünün tek örneği bilgisayarlar için özel olarak tasarlanmışlardı. Ancak belirli bir uygulama için özel MİB tasarımının masraflı olması bir veya birçok amaç için yapılan kitlesel olarak üretilmiş işlemcilerin gelişmesine yol açtı. Bu standartlaşma eğilimi ayrık transistörlü ana sistemler ve mini bilgisayarlar döneminde başladı ve entegre devrelerin (ED) popülerleşmesiyle giderek hız kazandı. ED, giderek daha karmaşık ve nanometre ile ölçülebilecek MİB’lerin tasarlanmasına ve üretilmesine olanak verdi. MİB’lerin küçülmesi ve standartlaşması, modern hayatta dijital cihazların varlığını ilk bilgisayar örneklerinin sınırlı uygulamalarının çok ötesinde artırdı.

İlk işlemciler, belli işlemler için özel üretilen ve büyük olan parçalardı. Daha sonraları ise maliyeti çok yüksek olan bu üretim şeklinin yerini, gelişen teknoloji ile daha ufak olan ve tek işlev yerine çok işleve sahip olan üretimler almıştır. Bu dönemin başlaması, transistörlerin ve mini-bilgisayarların ortaya çıkışına dayanmaktadır. tümleşik devrelerin yayılmasıyla da hız kazanmıştır. Tümleşik devreler, işlemcilerin daha kompleks olarak tasarlanmasına ve bunların çok az yer kaplayacak şekilde (milimetreler cinsinden) üretilmesine olanak sağlamıştır. Bu sayede işlemciler modern hayatta birçok yerde kullanılmaya başlanmıştır (otomobiller, cep telefonları…).

Günümüz işlemcilerine benzerliklerin başlamasından önce, ENIAC ve benzeri bilgisayarların belli işleri gerçekleştirebilmesi için bağlantılarının fiziksel olarak değiştirilmesi gerekiyordu. MİB kelimesi genel olarak yazılım (bilgisayar programı) uygulama aracı olarak tanımlandığından, gerçek anlamda MİB’lerin oluşumu kayıtlı-program bilgisayarların gelişimi ile ortaya çıkmıştır.

Kayıtlı-program bilgisayar fikri ENIAC tasarımı esnasında mevcut olmasına rağmen, bu fikir makinenin erken bitirilebilmesi için rafa kaldırılmıştı. 30 Haziran 1945’te, ENIAC henüz tamamlanmadan, matematikçi John von Neumann, EDVAC proje raporunun ilk taslağını yayımladı. Bu taslakta kayıtlı-program bilgisayarının ancak Ağustos 1949’da tamamlanabileceği gösteriliyordu. EDVAC, belli sayıda operasyonları gerçekleştirecek şekilde tasarlanmıştı. EDVAC için yazılan programlar, kabloların fiziksel olarak değiştirilmeyi gerektiren bir ortamda değil, hızlı bir bilgisayar belleğinde kayıtlı tutuluyordu. Bu özelliğiyle de ENIAC’ın kısıtlamalarının üstesinden gelip, zamandan ve zahmet açısından tasarruf sağlıyordu. Her ne kadar von Neumann kayıtlı-program bilgisayar fikrini ortaya koyan kişi olarak gösterilse de ondan önce de (örneğin Konrad Zuse’nin) benzer fikirler vardı. Ayrıca, EDVAC’tan önce tamamlanan Harvard Mark I’nın Harvard mimarisi, elektronik bellek yerine delikli kâğıt şerit kullanarak kayıtlı-program dizaynı gerçekleştirmişti. Günümüzde ise modern MİB’ler temel olarak von Neumann tasarımı olsa da, Harvard mimarisinden de özellikler göze çarpmaktadır.

Dijital aygıt olmalarından ötürü, tüm MİB’ler ayrık durumlarla ilgilenirler; bu yüzden durumları ayırt edebilmek için bir çeşit geçiş unsuruna ihtiyaçları vardır. Transistörlerin kabulünden önce, elektriksel röleler ve vakum tüpleri bu amaç için kullanılırlardı. Bunların her ne kadar hız avantajı olsa da, tamamen mekanik dizayn olduklarından değişik sebeplerden dolayı güvenilir değillerdi. Örneğin, doğru akım ardışık mantık devrelerinin rölelerden dışarı kurulması, kontak sekmesi problemiyle baş edebilmek için fazladan donanım gerektiriyordu. Vakum tüpleri kontak sekmesi sorunu yaşamazken, bunlar, tamamıyla çalışır hale gelebilmek için ısınma gerektiriyordu ve işler durumdan da hep birlikte çıkmaları gerekiyordu. Genelde, tüplerden biri başarısız olduğunda, bozulan parçanın tespit edilmesi için MİB’in teşhis edilmesi gerekmekteydi. Bu yüzden vakum tüplü bilgisayarlar daha hızlı olmasına rağmen röle bazlı bilgisayarlardan daha az güvenilirdi. Tüp bilgisayarlarında (EDVAC) arızalanma 8 saatte bir olurken, röle bilgisayarlarında (Harvard Mark I) daha nadir rastlanıyordu. Sonuç olarak ise tüp bazlı MİB’ler hız avantajının arızalanma sorunundan daha ağır basmasından dolayı daha yaygın hale geldiler. Bu eski senkron MİB çeşitleri, günümüzle kıyaslandığında, oldukça düşük saat frekanslarında çalışmaktaydılar. Kuruldukları geçiş aygıtlarının hızlarıyla kısıtlandıkları için, o zamanlar 100 kHz ile 4 MHz arasında değişen saat sinyal frekans değerleri oldukça yaygındı.

Çeşitli teknolojilerin daha küçük ve daha güvenilir elektronik aygıtlar üretmeye başlamasıyla MİB tasarımlarının kompleks yapıları da artış gösterdi. Bu yoldaki ilk gelişme transistörlerin gelişiyle başladı. 1950’ler ve 1960’lar da MİB’lerın transistörlere geçişi ile vakum tüpü ve elektriksel röle gibi güvensiz ve kırılgan geçiş elementleri artık kullanılmaz hale gelmişti. Bu gelişim sayesinde de, üzerinde ayrık bileşenler bulunan bir veya birden çok baskı devre kartlarına daha kompleks ve daha güvenilir MİB’ler yerleştirildi.

Bu dönemde, oldukça küçük alanlara fazla sayıda transistör yerleştirebilme metodu popülerlik kazandı. Tümleşik devre (IC) sayesinde, büyük sayıda transistörler, yarı iletken tabanlı kalıplar veya çip denilen birimlerin üzerinde üretilebildi. İlk başlarda, NOR kapıları gibi sadece belli basit dijital devre tipleri tümleşik devreler üzerine minyatürleştirildi. MİB’lerın bu inşa bloğu olan tümleşik devrelere kurulması durumuna “küçük-ölçekli tümleşme” (SSI) denir. SSI tümleşik devreler, Apollo güdüm bilgisayarında (Apollo guidance computer) kullanılanlar gibi, transistör sayısı açısından onun katları biçimindeydi. Mikro elektronik teknolojisi geliştikçe tümleşik devre üzerindeki transistör sayıları da artış gösterdi ve bu sayede bir MİB’i tamamlamak için gereken bağımsız parça sayısı azaltılmış oldu. Orta ve büyük-ölçekli (MSI ve LSI) tümleşik devreler sayesinde, barındırılan transistör sayıları yüzler ve onbinler seviyesine kadar arttı.

1964 senesinde IBM, birkaç seri bilgisayarda kullanılan ve aynı programları değişik hız ve performans değerleriyle yürütebilen System/360 adlı bilgisayar mimarisini tanıttı. O dönemde çoğu elektronik bilgisayar, aynı üreticiden çıkmış olsa bile bir diğeriyle uyumsuzluk sorunu yaşarken bu gelişim oldukça önemli bir yer tutmuştu. Bu gelişimi kolaylaştırmak için, IBM mikro-program (veya mikro-kod) konseptini kullanmaya başladı ki bu konsept modern MİB’lerın çoğunda hala geniş bir biçimde kullanılmaktadır (Amdahl et al. 1964). System/360 mimarisinin popülerliği, onu birkaç onyıl boyunca anaçatı bilgisayar pazarını ele geçirmesini ve IBM zSeries gibi benzer modern bilgisayarlarda kullanılır hale getirecek bir efsane olmasını sağladı. Aynı yılda (1964), Digital Equipment Corporation (DEC), bilimsel ve araştırma pazarlarını hedef seçmiş bir başka bilgisayar olan PDP-8’i piyasaya sürdü. Daha sonları ise DEC, SSI tümleşik devrelere kurulmuş olan ancak sonunda LSI bileşenlerin pratikleşmesiyle bunlarla gerçekleştirilmiş ve oldukça popüler olan PDP-11’i piyasaya sunacaktı. SSI ve MSI öncelleriyle sahip olduğu fark ile, PDP-11’in ilk LSI gerçekleştirilmesi, 4 LSI tümleşik devreden oluşan bir MİB’e sahipti (Digital Equipment Corporation 1975).

Transistör bazlı bilgisayarların, öncellerine kıyasla fazla sayıda ve belirgin avantajları vardı. Yüksek güvenilirlik ve az güç tüketiminin yanı sıra, transistörler sayesinde MİB çalışma hızları transistörlerin sahip olduğu düşük geçiş süreleri sayesinde oldukça artış gösterdi. Bu dönemde, yüksek güvenilirlik ve geçiş süresindeki belirgin hız artışı sayesinde, MİB’lerin saat hızlarında MHz’in on katları seviyesine erişildi. Ek olarak, ayrık transistör ve tümleşik devre MİB’leri sık kullanımda iken, SIMD (Tek Komut Çoklu Data) vektör işlemcileri gibi yeni yüksek performans tasarımlar ortaya çıkmaya başladı. Başlarda deneysel tasarım olan bu sistemler, daha sonraları ise Cray Inc. gibi firmalar tarafından üretilmiş, uzmanlaşmış süper bilgisayarların çağına adım atılmasını sağlayacaktı.

Mikroişlemcilerin 1970’lerde ortaya çıkması, MİB tasarımlarını ve kullanımını oldukça etkiledi. İlk mikroişlemci olan Intel 4004’ün çıkması (1970) ve yine ilk geniş çaplı kullanım sağlayan mikroişlemci olan Intel 8080 (1974) ile bu tip MİB’ler, merkez işlem birimini yürütme metotlarını tamamıyla ele geçirmiş oldu. O zamanki tüm üreticiler, bilgisayar mimarilerini geliştirebilmek için tümleşik devre geliştirme programları yayınladılar. Bunun sonucunda da eski yazılım ve donanımlarıyla geri-uyumlu olan komut set uyumlu mikroişlemciler ürettiler. Günümüzün kişisel bilgisayarlarının başarısıyla birleşince de MİB kelimesi genel olarak mikroişlemciler için de kullanılmaya başlandı.

Önceki nesil MİB’ler ayrık parçalardan ve pek çok küçük tümleşik devrelerin bir veya birden çok devre kartlarında bulunmasıyla gerçekleştiriliyordu. Mikroişlemciler ise, MİB’lerin çok az sayıda (genellikle bir) tümleşik devre üzerinde üretiminden oluşuyordu. MİB’lerin tek kalıp üzerinde üretilmesinin getirdiği bu boyut açısından bu küçülme, parasitik sığalık geçitlerinin azalması gibi fiziksel faktörler sebebiyle daha hızlı geçiş sürelerinin olmasına olanak sağladı. Bu sayede de senkron mikroişlemcilerin 10 MHz civarlarında olan saat hızları GHz seviyelerine taşındı. Ayrıca, olabildiğince ufak transistörlerin tümleşik devrelere yerleştirilmedeki artış, tek bir MİB’de sahip olunan transistör sayısını ve karmaşıklığı da artırdı. Bu geniş gözlem, Moore Kuralı ile tanımlanmıştır ve bu kuralın MİB’deki kompleks yapının zamana bağlı olarak artışının oldukça keskin bir tahminini yapabildiği ispatlanmıştır.

Her ne kadar MİB’in karmaşıklığı, ebatları, tasarımı ve genel şekli fazlasıyla değişmiş olsa da temel yapısının ve fonksiyonunun değişmediği görülmektedir. Günümüzde yaklaşık her MİB von Neumann kayıtlı-program makineleri olarak adlandırılabilir.

Moore Kuralı geçerli olmaya devam ettiğinden, tümleşik devre transistör teknolojilerinin sahip olabileceği limitleri hakkında endişeler ortaya çıkmaya başladı. Olabildiğince minyatürleme sonucu ortaya çıkabilecek elektron göçü ve eşikaltı voltajı durumları önemsenecek boyutlara gelmeye başladı. Bu tip endişeler, araştırmacıları yeni metotlar aramaya (quantum bilgisayarı, paralelliğin kullanımının gelişimi) yöneltti.